Гальванотехника

1. Введение

Для придания металлическим изделиям защитных, защитно-декоративных функциональных свойств, обеспечивающих надежную долговечную работу их в различных эксплуатационных условиях, а также для восстановления деталей, выбранных при сравнительно малых износах, большую роль играют химические и электрохимические процессы нанесения покрытий.

Электрохимические (гальванические) покрытия широко применяются при восстановлении деталей, выбранных при сравнительно малых износах.

Электрохимическим способом получают покрытия цинком, кадмием, медью, хромом, никелем. В машино-и приборостроении используют электролитическое осаждение меди, цинка, кадмия, серебра и золота в ваннах.

Разнообразие гальванических и химических процессов, применение при этом химических веществ, температурных режимов обуславливает разнообразие качественного и количественного состава выделяющихся загрязняющих веществ, их агрегатных состояний.

Технологические процессы нанесения электрохимическим способом включают в себя ряд последовательных операций: травление, шлифование, химическое обезжиривание, нанесение покрытий.

Все эти операции в производстве металлопокрытий сопровождаются выделением в воздух помещений, в атмосферу различных загрязняющих веществ. Особой токсичностью отличаются растворы цианистых солей, серной, хромовой и азотной кислот и др.

Цель: по заданным условиям выполнить проект общеобменной вентиляции защиты атмосферы от выбросов загрязняющих веществ при нанесение металлопокрытий гальваническим способом.

Исходные данные:

1.Процесс - нанесение металлопокрытий гальваническим способом (электрохимический способ)

2.Применение в проекте бортового отсоса (односторонний) с поддувом

3.Ширина стационарной ванны 1000 мм. Длина стационарной ванны 1500 мм

4.Температура кислоты в стационарной ванне 18 С°.

2.Влияние гальванических производств на окружающую среду

Из большого объема промышленных выбросов, попадающих в окружающую среду, на машиностроение приходится лишь незначительная его часть - 1-2%. В этот объем входят и выбросы предприятий военно-ориентированных отраслей, оборонной промышленности, являющейся значительной составной частью машиностроительного комплекса. Однако на машиностроительных предприятиях имеются основные и обеспечивающие технологические процессы производства с весьма высоким уровнем загрязнения окружающей среды. К ним относятся: внутризаводское энергетическое производство и другие процессы, связанные во сжиганием топлива; литейное производство; металлообработка конструкций и отдельных деталей; сварочное производство; гальваническое производство; лакокрасочное производство.[1]

По уровню загрязнения окружающей среды районы гальванических и красильных цехов как машиностроительных в целом, так и оборонных предприятий сопоставимы с такими крупнейшими источниками экологической опасности, как химическая промышленность; литейное производство сравнимо с металлургией; территории заводских котельных - с районами ТЭС, которые относятся к числу основных загрязнителей.

Таким образом, машиностроительный комплекс в целом и производства оборонных отраслей промышленности, как его неотъемлемая часть, являются потенциальными загрязнителями окружающей среды: воздушного пространства; поверхностных водоисточников; почвы.[2]

При всем многообразии подотраслей машиностроения и в том числе военно-ориентированных, оборонных предприятий по специфике загрязнения окружающей среды их можно разделить на две группы: ресурсо- и наукоемкие. Особенности наукоемких подотраслей машиностроения: их небольшая материало- и энергоемкость, малое водопотребление и значительно меньший выброс загрязняющих веществ в окружающую среду по сравнению с ресурсоемкими. Эти подотрасли и производства характеризуются небольшим выбросом в атмосферу таких традиционных массовых загрязняющих веществ, как диоксиды серы, азота и др., но в то же время выбрасываются другие загрязняющие вещества, не столь свойственные для ресурсоемких отраслей машиностроения. В последнее время ресурсоемкие подотрасли преобладают над наукоемкими. На долю предприятий, имеющих гальваническое производство приходится 15-20% общих загрязнений атмосферы промышленностью, что составляет более 10,3 млн. т вредных веществ в год,

Экологическая безопасность атмосферы, минимизация выбросов загрязняющих веществ может быть обеспечена применением методов обезвреживания загрязнителей или использованием безотходных технологий, а также разработка очистных сооружений.[3]

4. Описание общеобменной вентиляционной схемы

Наиболее эффективное средство борьбы с вредными веществами в вентилируемых помещениях - это удаление их в местах выделения с помощью вытяжных систем. Однако это не всегда возможно, например, когда в места нахождения людей или источники вредных выделений расположены по всей площади помещений. В таких случаях устраивают общеобменную вентиляцию, когда разбавление вредных веществ до ПДК осуществляется за счет притока свежего воздуха. В соответствии с этим системы общеобменной вентиляции должны включать в себя устройство для забора воздуха, его обработки, транспортировки, а также для удаления отработавшего воздуха. Для подготовки изделий к покрытию применяют в основном стационарные ванны .[1]

Производственные ванны представляют собой открытые резервуары, чаще всего четырехугольной формы, наполненные жидкостью с различными растворами, нередко весьма ядовитыми.

Ванны для нанесения гальванических покрытий делают в основном из нержавеющей стали и в случае необходимости выкладывают внутри различными изоляционными материалами.

Содержащиеся в ваннах растворы, испаряясь, разносятся по помещению и тем самым загрязняют в нем воздух. Вредности из производственных ванн могут выделяться в виде паров, газов и «полых капель», представляющих собой частицы газа, заключенные в жидкую оболочку. Эти капли, поднимаясь вверх, выносятся из ванны и, лопаясь, смешиваются с воздухом помещения. В вентиляционной практике получило большое распространение устройство отсоса по бортам ванны в виде сплошной щели, называемой бортовым отсосом . Для энергичного всасывания в щель бортового отсоса вредных паров применяют поддув от сети сжатого воздуха. Применение поддува дает возможность снизить влияние посторонних токов воздуха в помещении на устойчивость перетекания газообразной вредности к приемнику и снизить расход воздуха. Далее загрязненный воздух попадает в фильтр. Фильтр очищает воздух от аэрозольных частиц кислот. Фильтр оборудуется поддоном для сбора конденсата, где скапливается конденсат после очистки воздуха. По трубопроводу он переходит в емкость для сбора конденсата. От фильтра очищенный от паров серной кислоты воздух при помощи вентилятора попадает в воздуховод (коррозионностойкий из нержавеющей стали). Через отверстие в перекрытии в системе общеобменной вентиляции воздух выбрасывается в атмосферу. Для предотвращения попадания атмосферных осадков в вентиляцию на крыше устраивается вентиляционный зонт.

5.Оборудование для нанесения гальванических покрытий

5.1Стационарная ванна

Для подготовки изделий к покрытию применяют в основном стационарные ванны.

Все детали, подвергающиеся химической или электролитической обработке, подразделяются на три группы сложности:

1.Пластины и цилиндрические детали (без резьбы)

2.крепежные детали, рельефные, штампованные детали безполостей, в которых может задерживаться раствор (электролит)

3.детали с глухими отверстиями, в которых задерживается раствор (электролит), например, стакан с внутренней резьбой, а также детели, имеющие трудно промываемые участки

Обезжиривают изделия в сварных прямоугольных ваннах, изготовленных из листовой стали. Ванны для обезжиривания в большинстве случаев снабжены подогревом и имеют специальные вентиляционные устройства. В ваннах предусмотрены специальные устройства «карманы» для удаления с поверхности раствора пены и масла.

Для травления меди и ее сплавов применяют керамиковые ванны, оборудованные вентиляционными устройствами.

Ванны для нанесения гальванических покрытий делают в основном из стали и в случае необходимости выкладывают внутри различными изоляционными материалами. Для кислых электролитов для внутренней обкладки применяется винипласт. Их используют для кислого цинкования, лужения,

5.2 Бортовые отсосы

Бортовые отсосы применяются в тех случаях, когда крупные габариты оборудования или технология обработки громоздких деталей не позволяют ставить вытяжные шкафы или другие полные укрытия. Бортовые отсосы получили широкое распространение в гальванических цехах, при обезжиривании и травлении металла, при антикоррозийных и декоративных покрытиях, к которым относятся процессы цинкования, хромирования, никелирования и др.

Бортовые отсосы устраиваются у производственных ванн. Произ-водственные ванны представляют собой открытые резервуары, чаще всего четырехугольной формы, наполненные жидкостью с различными растворами, нередко весьма ядовитыми.

Наиболее целесообразным решением вопроса с вентиляционной точки зрения следует считать полное укрытие ванны либо заключение ее в кожух в виде вытяжного шкафа с отсосом от негo такого количества воздуха, которое воспрепятствовало бы проникновению вредностей в помещение. Однако по технологическим соображениям это возможно крайне редко, поэтому в вентиляционной практике получило большое распространение устройство отсоса по бортам ванны в виде сплошной щели, называемой бортовым отсосом.[7]

Виды отсосов от ванн. При ширине ванны до 0,7м применяют однобортовые отсосы, устраиваемые с одной из продольных ее сторон. При ширине ванны более 0,7 м (до 1 м) применяют двухбортовые отсосы. Кроме ширины в данном случае важны размер и конфигурация изделия: если изделие выступает над поверхностью жидкости в ванне, то в этом случае независимо от ширины ванны устраивается двухбортовой отсос. Бортовые отсосы называются простыми, если плоскость щели вертикальна, или опрокинутыми, когда плоскость щели горизонтальна, т.е. обращена в сторону зеркала ванны. Во избежание уменьшения ширины ванны при применении опрокинутых отсосов можно придать ей форму. Чтобы обеспечить равномерность всасывания воздуха через щель, сплошным бортовым отсосам придают клиновидную форму. Длина секций стандартная от 500 до 1000 мм. Ширина щели принимается в пределах 40-100 мм. Так как кислоты и щелочи оказывают коррозирующее действие на металл, то бортовые отсосы следует изготовлять из материалов, стойких против коррозии, например из винипласта. Если же для изготовления отсосов используется сталь, то ее следует брать толщиной не менее 3 мм и с обеих сторон покрывать антикоррозийным лаком. Такие же требования необходимо предъявлять и к материалам воздуховодов, отсасывающих воздух от ванн.

Простые отсосы следует применять при высоком уровне раствора в ванне, когда расстояние от щели отсоса составляет не более 80 -- 150 мм. Чем токсичнее вредные выделения из ванны, тем ниже к поверхности раствора нужно прижать их, чтобы не допустить попадания их в зону дыхания рабочего у ванн. Опрокинутые бортовые отсосы требуют значительно меньшего расхода воздуха, особенно при более низком стоянии уровня жидкости (150 -- 300 мм и более).

Конструктивные размеры отсоса выбираются по справочнику мастера - вентиляционника автор Б.А.Журавлева в зависимости от заданных размеров ванны и расходу воздуха.

5.3 Вентилятор

Вентиляторами называются машины, служащие для перемещения воздуха. В этих машинах возбудителем движения воздуха является вращающееся рабочее колесо, которое заключено в кожух, определяющий направление движения воздуха. Вращение колеса производится от электрического двигателя. По принципу действия вентиляторы делятся на осевые и центробежные.

В зависимости от развиваемого давления вентиляторы могут быть низкого, среднего и высокого давления. Вентиляторы низкого давления создают давление до 100 кГ/м"2, среднего от 100 до 300 кГ/м2, высокого от 300 до 1200 кГ/л2. Вентиляторы низкого и среднего давления применяются в системах общеоб-менной вентиляции, кондиционирования воздуха, в сетях пнев-матического транспорта материалов и отходов производства и в других вентиляционных установках. Что касается вентиляторов высокого давления, то они имеют главным образом технологическое назначение, например ставятся для дутья в вагранках.[7]

Перемещаемый воздух может содержать самые разнообразные примеси (пыль, газы, пары кислот, щелочей) и взрывоопасные смеси. Поэтому в зависимости от условий эксплуатации к вентиляторам предъявляются различные требования как в отношении применяемых для их изготовления материалов, так и в части конструктивного исполнения.

В соответствии со СНиП 2.04.05 - 91 вентиляторы изготовляются:

а) обычного исполнения -- для перемещения чистого или ма-лозапыленного воздуха с температурой до 150°С; все части таких вентиляторов изготовляются из обычных сортов стали;

б) антикоррозийного исполнения -- для перемещения воздуха, содержащего примеси веществ, которые разрушающе действуют на обычный металл; в этом случае для изготовления вентиляторов должны применяться стойкие против действия агрессивных примесей материалы -- железохромистая и хромоникелевая сталь, винипласт и т. д.;

в) взрывобезопасного исполнения -- для перемещения горючих и взрывоопасных смесей; основное требование, предъявляемое к таким вентиляторам, заключается в том, чтобы во время их работы была полностью исключена опасность искрения при случайном ударе или трении движущихся частей о неподвижные части, например рабочего колеса о кожух; поэтому колеса, кожухи и входные патрубки таких вентиляторов изготовляются из более мягкого, чем сталь, металла -- алюминия или дюралюминия; часть вала, омываемая движущимся потоком взрывоопасной смеси, должна прикрываться алюминиевыми колпаками и втулкой, а в месте прохода вала через кожух ставится сальниковое уплотнение;

г)пылевые вентиляторы -- для перемещения воздуха с содержанием пыли свыше 150 мг/м3; к этим вентиляторам предъявляется требование износоустойчивости, что достигается применением материалов повышенной прочности, утолщением частей, подвергающихся истиранию механическими примесями, наварки на них твердых сплавов и т. д.

В зависимости от рассчитанного расхода воздуха подобран антикоррозионный вентилятор марки ВЦ 14-46-6,3 D=400 мм, n=600 об/мин.

Зарядка взвешенных частиц. В электрическом поле короны зарядка взвешенных частиц происходит вследствие адсорбции ионов поверхностью частиц во внешней зоне коронного разряда. Величина потока ионов к поверхности частицы определяет процесс зарядки.

Подвижность, или скорость, иона пропорциональна напряженности электрического поля (В/м) и абсолютной температуре газа. В обычных условиях отрицательные ионы более подвижны, чем положительные. В процессе ионизации газовых молекул электрическим разрядом происходит зарядка частиц. Электрический заряд образует вокруг себя электрическое поле. Существование поля определяют, внося в него другой электрический заряд, который притягивается к первому (если заряды разноименными) или отталкивается (если они одноименны).[11]

Движение взвешенных частиц в электрофильтре. Взвешенная в газах частица при поступлении в электрофильтр приобретает электрический заряд, который за долю секунды достигает значения, близкого к максимальному.

На взвешенную заряженную частицу в электрофильтре действуют силы: а) увлечения движущимся газовым потоком; б) тяжести; в) механического воздействия потока ионов на молекулы газа в электрическом поле, вызывающего движение газа в направлении к осадительному электроду,-- электрический ветер; г) взаимодействия поля и заряда частицы -- кулоновская сила

Для подбора электрофильтров необходимо знать место работы фильтра, расход газа, температуру, разрежение, степень очистки.

По целевому назначению фильтра выбран фильтр марки ГП 75 - 3 для гальванических производств.

Фильтр для гальванических производств

Предназначены для санитарной очистки аспирационного воздуха от жидких и растворимых в воде твердых аэрозольных частиц в гальванических и травильных производствах при таких операциях, как хромирование, сернокислотное никелирование, электрохимическое обезжиривание и других.Аэрозольные частицы улавливаются волокнистым фильтрующим элементом ,который промывается 1 раз в 15 суток в корпусе фильтра или в промывной ванне.

Степень очистки воздуха 90 - 95%

Аэродинамическое сопротивление 500 - 700 Па

Основные преимущества: простота обслуживания (легкость замены фильтрующего элемента),небольшие габариты, возможность очищать воздух от аэрозольных частиц кислот или щелочей.[12]

G0ЗВ = 10-3·YЗВ·Fв·k1·k2·k3·k4·k5·k6·k7, г/с (6.3)

k6 - коэффициент, зависящий от площади испарения, равен 1

k7 - коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного по-тока над поверхностью испарения, равен 4,3.

G0ЗВ = 10-3·YЗВ·Fв·k1·k2·k3·k4·k5·k6·k7 = 0,001·6,5·1,5·1·0,8·1,176·1,5·0,75·1·

·4,3 = 0,048 г/с

М0ЗВ = 3,6·0,001·YЗВ·Fв·k1·k2·k3·k4·k5·k6·k7·ф·D (6.4)

ф - продолжительность работы ванны в часах

D - число смен работы ванны в году

Массовое количество каждого ЗВ (в тоннах), отходящего от ванны за год:

М0ЗВ = 3,6·10-6·YЗВ·Fв·k1·k2·k3·k4·k5·k6·k7·ф·D = 3,6·10-6·6,5·1,5·1·0,8·1,176· ·1,5·0,75·1·4,3·8·12·22 = 0,113 т/г

Расчет количества ЗВ (г/с или т/г), выбрасываемого в атмосферный воздух от гальванического производства с учетом газоочистки и гравитационного оседания аэрозоля в воздуховоде, осуществляется по формулам:

GВЗВmax = (1 - з/100)· GЗВmax ·(k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ), г/с (6.5)

GВЗВ0 = (1 - з/100)· GЗВ0 ·(k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ), г/с (6.6)

МВЗВ = (1 - з/100)· МЗВ0 ·(k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ), т/г (6.7)

з степень очистки газа пылегазоочистной установки, %

з = 98%, тогда

GВЗВmax = (1 - з/100)· GЗВmax ·(k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ) = (1- 98/100) ·0,0105·

·(1,2·6,5/6,5) = 0,02·0,0105·1,2 = 0,00025 г/с

GВЗВ0 = (1 - з/100) · GЗВ0 · (k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ) = (1- 98/100) · 0,048·

·(1,2·6,5/6,5) = 0,02·0,048·1,2 = 0,0012 г/с

МВЗВ = (1 - з/100)· МЗВ0 ·(k8· YаЗВ/ YЗВ +YгЗВ / YЗВ) = (1- 98/100) · 0,113·

·(1,2·6,5/6,5) = 0,02·0,113·1,2 = 0,0027 т/г

Расчет расхода воздуха, удаляемого однобортовыми отсосами с поддувом :

(6.8)